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导热系数和热阻之间的关系

新闻来源: 发布日期:2016-02-23 10:25:32发布人:佳日丰小张

  导热系数和热阻之间的关系

  我们都知道导热材料的参数有导热系数、热阻等等,那就需要先了解一下导热系数和热阻之间的关系了。

  导热系数λ:

  是指在稳定传热条件下,设在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米,面积为1平方米的平行面,而这两个平面的温度相差1度,则在1秒内从一个平面传导到另一平面的热量就规定为该物质的热导率。其单位为:瓦/(米·度), 导热系数在0.12瓦/(米·度)以下的材料称为绝热材料。

  导热系数反应的是导热材料导热性,导热材料的导热系数越大,则其导热性越好。

  热阻θ:

  就是热流量在通过物体时,在物体两端形成的温度差。即:θ=(T2-T1)/P——(1) 单位是:℃/W。 式中: T2是热源温度 ,T1是导热系统端点的温度 ,P是热源的功率。(1)式是指在一维、稳态、无内热源的情况下的热阻。

  热阻反应的是导热材料对热流传导的阻碍能力,导热材料的热阻越大,则其对热传导的阻碍能力越强。

  一般可以通过下面公式计算导热系统端点的温度: (T2-T1)=Pθ,热源功率越小,热阻越小,其热流传导能力越好,热阻越大,热流传导能力越差。

  热阻还可以由下式表达: θ=L/(λS)——(2)式中:λ是导热系数,L是材料厚度或长度,S是传热面积。物体对热流传导的阻碍能力,与传导路径长度成正比,与通过的截面积成反比,与材料的导热系数成反比。

  对导热系数与热阻的理解和应用场合

  导热系数反映的是物质在单位体积下的导热能力。实际上它反映了物质导热的固有能力。这种能力是由物质的原子或分子结构决定的。它是评价物质之间导热能力的参数。

  热阻其实是导热系数与物体的几何形状相结合而体现的该形状物体的导热能力。 对非均匀厚度的物体,均匀热流密度的热流通过物体后,两端任意两点的温度差可能是不同的,也就是说,任意两点间的热阻可能是不同的。

  谈热阻,必须要明确这一点:热阻必须是指定的两个点之间的热阻,并且两点之间没有其它的热源。它反映的是特定两点间的导热能力。就是说,给定了热阻值,同时必须明确给出计量的起点和终点。偏离了这两个位置点,这个热阻值就没有意义了。 纯就每种物质而言,谈热阻是没有太大意义的。因为几何形状不同,热阻就不同了。只有确定了几何形状,才可以利用热阻的概念做导热能力的比较。

  比如:a. 同一种材料,截面积相同、长度不同的柱体,它们的导热系数是相同的,而它们两对面的热阻是绝不同的。

  b. 同一种材料,设计成不同的形状,则不同几何结构之间,它们的两个对面的热阻可能不同。某些不同形状的物体,热源端某点到对面某点和到侧面某点的热阻可能相同。

  公式(1)可以不考虑材料的几何形状与构成。也就是说,不管传导热的物体是什么形状,也不管是由几种材料组合而成,只要测得两点间的温度和施加的热功率,就可以得到热阻值。这对实际应用测量是很方便的。公式(2)则是根据材料特征来计算热阻。利用公式(2),可以不用做实际的测量实验,利用各材料的导热系数和各组成材料的几何形状,就可以计算出热阻。这对做模拟计算是非常好的理论依据。同时,公式(2)更容易让人理解热阻产生的本质。

  导热系数与热阻的应用问题

  采用热阻的概念,只能是两个系统保持不变的情况下来分析、比较系统的热状态。两个系统若有改变,比较的结果可能完全相反。

  比如,两种不带铝基板的1W白光LED,见图2和图3,它们的结构尺寸见图4和图5,根据铜底座尺寸,按照公式(2)计算,图2产品的中心轴向热阻应是图3产品的1.54倍。可在实际使用中,图3的芯片温度要低。怎么会这样?因为,它的底板下部的面积大,便于热流横向扩展。上面的计算没有考虑热流横向扩展!它们实际应用时,还必须要加散热器,见图5。通常散热器是铝合金材料,导热系数远小于纯铜材料。图2的LED接触面小,热量在往散热器上传导时,横向的热阻就大了;而图3的产品由于铜底座面积大,热量便于横向散开传导到散热器上,使得热流密度减小,将热量更有效地传导到散热器的外部翅片上。所以,虽然图3的结构纵向路径长了,但由于有了好的横向路径,其实热阻反倒小了。

  再比如,两个材料、工艺相同制成的散热器,A表面积比B表面积大一倍,似乎A的热阻比B小,A要好。可是,给B配上风扇,B的热阻就会小于A。事实上是B和风扇形成了系统,是这个系统比A好。并不是A比B的热阻小而最终在使用上A比B系统好。A和B的比较就没有意义,因为B不是单独使用。

  这个例子是有实际应用意义的。在设计产品的散热器结构时,我们可能采用两种方案:只用散热器自然散热和散热器加风扇散热。在采用风扇散热时,可以选取一个较小的散热器,其与风扇组合的散热效果可能远优于只采用一个较大的散热器的效果。虽然小散热器的热阻大于大散热器的热阻,但在两个系统中,我们也不能单以两个散热器的热阻大小来说好坏。

  在系统构成后,不用热阻的概念,通过温度值就可以知道导热效果的差异。这里“系统的构成后”是指相比较的系统的结构确定,热源确定。可以测试相关点的温度就知道结果。没有必要已经知道了相关点的温度后再去算出个热阻来。通过相关点的温度值已经很明确了哪个好,哪个不好。如果说不是测试,而是要通过模拟计算得到结果的话,在模拟计算中,也是通过导热系数和结构参数,先算出相关点的温度。计算得到了各点的温度,导热好坏也就明了了。也可以不需要再多算一步来算出热阻值。

  对于热系统间的比较,仅仅知道各系统的热阻值,也无法比较哪个好坏。

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